Ветроэнергетика

Ветроэнергетика - это подраздел машиностроения , строительства , метеорологии и прикладной физики, который анализирует влияние ветра на естественную и искусственную среду и изучает возможные повреждения, неудобства или преимущества, которые могут возникнуть в результате ветра. В области инженерии к ним относятся сильные ветры, которые могут вызывать дискомфорт, а также сильные ветры, такие как торнадо , ураган или сильный шторм , которые могут вызвать обширные разрушения. В области ветроэнергетики и загрязнения воздуха сюда также входят слабые и умеренные ветры, поскольку они имеют отношение к производству электроэнергии и рассеиванию загрязняющих веществ.

В ветроэнергетике используются метеорология , гидродинамика , механика , географические информационные системы и ряд специализированных инженерных дисциплин, включая аэродинамику и структурную динамику . ^[1] Инструменты , используемые включают в себя модели атмосферы , атмосферного пограничного слоя аэродинамических трубах и вычислительная гидродинамика моделей.

В ветроэнергетику, помимо прочего, входят:

Воздействие ветра на конструкции (здания, мосты, башни)
Комфорт от ветра возле зданий
Воздействие ветра на систему вентиляции в здании
Ветровой климат для энергии ветра
Загрязнение воздуха возле зданий

Инженеры-строители могут рассматривать ветроэнергетику как тесно связанную с сейсмостойкостью и защитой от взрыва .

Некоторые спортивные стадионы, такие как Candlestick Park и Arthur Ashe Stadium , известны своими сильными, иногда резкими ветрами, которые влияют на игровые условия.

История [ править ]

Ветровая инженерия как отдельная дисциплина прослеживается в Великобритании в 1960-х годах, когда неофициальные встречи проводились в Национальной физической лаборатории , Исследовательском центре строительства и других местах. Термин «ветроэнергетика» был впервые введен в употребление в 1970 году. ^[2] Алан Гарнетт Давенпорт был одним из самых выдающихся участников развития ветроэнергетики. ^[3] Он хорошо известен разработкой ветровой цепи Алана Давенпорта или коротко «ветровой цепи», которая описывает, как различные компоненты влияют на конечную нагрузку, рассчитанную на конструкцию. ^[4]

Ветровые нагрузки на здания [ править ]

При проектировании зданий необходимо учитывать ветровые нагрузки, на которые влияет сдвиг ветра . Для инженерных целей профиль скорости ветра по степенному закону может быть определен как: ^[5]^[6]

{\ displaystyle \ v_ {z} = v_ {g} \ cdot \ left ({\ frac {z} {z_ {g}}} \ right) ^ {\ frac {1} {\ alpha}}, 0 <z <z_ {g}}

где:

{\ displaystyle \ v_ {z}}

= скорость ветра на высоте

{\ displaystyle \ z}

{\ displaystyle \ v_ {g}}

= градиент ветра на высоте градиента

{\ displaystyle \ z_ {g}}

{\ displaystyle \ \ alpha}

= экспоненциальный коэффициент

Обычно здания спроектированы таким образом, чтобы противостоять сильному ветру с очень длительным периодом возврата, например 50 лет и более. Расчетная скорость ветра определяется на основе исторических данных с использованием теории экстремальных значений для прогнозирования экстремальных скоростей ветра в будущем. Скорость ветра обычно рассчитывается на основе некоторых региональных стандартов или стандартов проектирования. Нормы проектирования ветровых нагрузок на здания включают:

AS 1170.2 для Австралии
EN 1991-1-4 для Европы
NBC для Канады

Комфорт от ветра [ править ]

Появление многоэтажных жилых домов вызвало опасения по поводу того, что эти здания доставляют неудобства пешеходам, находящимся поблизости от них.

С 1971 года был разработан ряд критериев ветровой комфортности и ветровой опасности, основанных на различных действиях пешеходов, таких как: ^[7]

Сидеть в течение длительного периода времени
Сидение в течение короткого периода времени
Прогуливаясь
Быстрая ходьба

По другим критериям ветровая среда классифицируется как совершенно неприемлемая или опасная.

Геометрия зданий, состоящих из одного и двух прямоугольных зданий, имеет ряд хорошо известных эффектов: ^[8]^[9]

Угловые потоки, также известные как угловые струи, по углам зданий.
Сквозной поток, также известный как проходная струя, в любом проходе через здание или небольшом зазоре между двумя зданиями из-за короткого замыкания под давлением
Вихрь, падающий вслед за зданиями

Для более сложной геометрии требуются исследования ветрового комфорта пешеходов. Они могут использовать соответствующим образом масштабированную модель в аэродинамической трубе с пограничным слоем , или в последнее время расширилось использование методов вычислительной гидродинамики . ^[10] Рассчитываются скорости ветра на уровне пешеходов для заданной вероятности превышения, чтобы учесть региональные статистические данные о скоростях ветра. ^[11]

Профиль вертикального ветра, используемый в этих исследованиях, варьируется в зависимости от местности в непосредственной близости от зданий (которая может отличаться в зависимости от направления ветра) и часто сгруппирован по таким категориям, как: ^[12]

Открытая открытая местность с небольшим количеством препятствий или без них и водными поверхностями при пригодных для эксплуатации скоростях ветра
Водные поверхности, открытая местность, луга с небольшим количеством хорошо разбросанных препятствий высотой от 1,5 до 10 м.
Местность с множеством близко расположенных препятствий высотой от 3 до 5 м, например участки загородной застройки
Рельеф с многочисленными большими, высокими (высотой от 10 до 30 м) и близко расположенными препятствиями, такими как крупные городские центры и хорошо развитые промышленные комплексы.

Ветровые турбины [ править ]

Ветровые турбины подвержены сдвигу ветра. Вертикальные профили скорости ветра приводят к разным скоростям ветра у лопастей, ближайших к уровню земли, по сравнению с теми, которые находятся на вершине хода лопастей, и это, в свою очередь, влияет на работу турбины. ^[13] Градиент ветра может создавать большой изгибающий момент в валу двухлопастной турбины, когда лопасти находятся в вертикальном положении. ^[14] Уменьшение градиента ветра над водой означает, что более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин могут использоваться на мелководье. ^[15]

В ветроэнергетике изменение скорости ветра с высотой часто аппроксимируется степенным законом: ^[13]

{\ displaystyle \ v_ {w} (h) = v_ {ref} \ cdot \ left ({\ frac {h} {h_ {ref}}} \ right) ^ {a}}

где:

{\ Displaystyle \ v_ {ш} (ч)}

= скорость ветра на высоте [м / с]

{\ displaystyle h}

{\ displaystyle \ v_ {ref}}

= скорость ветра на некоторой контрольной высоте [м / с]

{\ displaystyle h_ {ref}}

{\ displaystyle \ a}

= Показатель Хеллмана (он же степенной показатель или показатель сдвига) (~ = 1/7 в нейтральном потоке, но может быть> 1)

Значение [ править ]

Знания в области ветроэнергетики используются для анализа и проектирования всех высотных зданий, вантово- подвесных мостов и вантовых мостов , опор электропередачи и телекоммуникационных опор, а также всех других типов башен и дымовых труб. Ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при анализе многих высотных зданий, поэтому ветроэнергетика важна для их анализа и проектирования. Опять же, ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при анализе и проектировании всех длиннопролетных кабельных мостов .

См. Также [ править ]

Ураганная инженерия
Джон Твиделл
Контроль вибрации
Испытания в аэродинамической трубе
Всемирная ассоциация ветроэнергетики

Ссылки [ править ]

^ Хьюитт, Сэм; Маргеттс, Ли; Ревелл, Алистер (2017-04-18). «Создание цифровой ветряной электростанции» . Архивы вычислительных методов в технике . 25 (4): 879–899. DOI : 10.1007 / s11831-017-9222-7 . ISSN 1134-3060 . PMC 6209038 . PMID 30443152 .
^ Кокран, Лейтон; Дериксон, Расс (апрель 2011 г.). "Взгляд физического моделирователя вычислительной ветроэнергетики". Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 99 (4): 139–153. DOI : 10.1016 / j.jweia.2011.01.015 .
^ Солари, Джованни (2019). Ветровая наука и инженерия: истоки, разработки, основы и достижения . Springer Tracts в гражданском строительстве. Чам: Издательство Springer International. DOI : 10.1007 / 978-3-030-18815-3 . ISBN 978-3-030-18814-6.
^ Isyumov Николай (май 2012). "Знак Алана Г. Давенпорта по ветроэнергетике". Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 104–106: 12–24. DOI : 10.1016 / j.jweia.2012.02.007 .
^ Кроули, Стэнли (1993). Стальные здания . Нью-Йорк: Вили. п. 272. ISBN. 978-0-471-84298-9.
^ Гупта, Аджая Кумар и Питер Джеймс Мосс (1993). Методические рекомендации по проектированию малоэтажных зданий, подверженных боковым нагрузкам . Бока-Ратон: CRC Press. п. 49. ISBN 978-0-8493-8969-6.
^ Ветровая комфортность пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветровой комфортности. Таблица 3
^ Ветровая комфортность пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветровой комфортности. Рисунок 6
^ Воздействие ветра на пешеходов. Рисунок 3
^ Рекомендации AIJ по практическому применению CFD в пешеходной ветровой среде вокруг зданий.
^ Пешеходная ветровая среда вокруг зданий. p112
^ AS / NZS 1170.2: 2011 Действия по проектированию конструкций, часть 2 - Ветровые воздействия. Раздел 4.2
^ a b Хейер, Зигфрид (2005). Сеточная интеграция систем преобразования энергии ветра . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.
^ Харрисон, Роберт (2001). Большие ветряные турбины . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.
^ Lubosny, Збигнев (2003). Эксплуатация ветряных турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование . Берлин: Springer. п. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

Внешние ссылки [ править ]

Базовая карта скорости ветра (США)
Калькулятор ветровой нагрузки (процедура конверта)
«Как высокие здания укрощают ветер» . Модель B1M . 12 сентября 2018 г. - через YouTube .

[1] Хьюитт, Сэм; Маргеттс, Ли; Ревелл, Алистер (2017-04-18). «Создание цифровой ветряной электростанции» . Архивы вычислительных методов в технике . 25 (4): 879–899. DOI : 10.1007 / s11831-017-9222-7 . ISSN 1134-3060 . PMC 6209038 . PMID 30443152 .

[2] Кокран, Лейтон; Дериксон, Расс (апрель 2011 г.). "Взгляд физического моделирователя вычислительной ветроэнергетики". Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 99 (4): 139–153. DOI : 10.1016 / j.jweia.2011.01.015 .

[3] Солари, Джованни (2019). Ветровая наука и инженерия: истоки, разработки, основы и достижения . Springer Tracts в гражданском строительстве. Чам: Издательство Springer International. DOI : 10.1007 / 978-3-030-18815-3 . ISBN 978-3-030-18814-6.

[4] Isyumov Николай (май 2012). "Знак Алана Г. Давенпорта по ветроэнергетике". Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики . 104–106: 12–24. DOI : 10.1016 / j.jweia.2012.02.007 .

[Crawley-5] Кроули, Стэнли (1993). Стальные здания . Нью-Йорк: Вили. п. 272. ISBN. 978-0-471-84298-9.

[Gupta-6] Гупта, Аджая Кумар и Питер Джеймс Мосс (1993). Методические рекомендации по проектированию малоэтажных зданий, подверженных боковым нагрузкам . Бока-Ратон: CRC Press. п. 49. ISBN 978-0-8493-8969-6.

[7] Ветровая комфортность пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветровой комфортности. Таблица 3

[8] Ветровая комфортность пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветровой комфортности. Рисунок 6

[9] Воздействие ветра на пешеходов. Рисунок 3

[10] Рекомендации AIJ по практическому применению CFD в пешеходной ветровой среде вокруг зданий.

[11] Пешеходная ветровая среда вокруг зданий. p112

[12] AS / NZS 1170.2: 2011 Действия по проектированию конструкций, часть 2 - Ветровые воздействия. Раздел 4.2

[Heier-13] Хейер, Зигфрид (2005). Сеточная интеграция систем преобразования энергии ветра . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.

[14] Харрисон, Роберт (2001). Большие ветряные турбины . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.

[Lubosny-15] Lubosny, Збигнев (2003). Эксплуатация ветряных турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование . Берлин: Springer. п. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

[1]